Seismic Evaluation of Steel Moment Frame Buildings based on Different Response Modification Factors and Fundamental Periods

서 론 1.

내진 설계의 기준은 높은 지진의 위험이 있는 지역에서

인명 보호의 성능을 보장하기 위한 목적으로 발달되어 왔다.

현재의 내진 설계에서는 구조물이 지진 하중에 대해 저항 할 때 일부 중요한 응력을 받는 부재에 대해서 비탄성 변형 이 발생되도록 한다 이는 예상되는 지진 위험에 대해 지진. 발생시 탄성적으로 반응하도록 설계하는 것은 실용적이거 나 경제적이지 못하기 때문이다 현재 기준에서 많은 유형. 의 내진 저항 시스템들에 대하여 연성 거동을 요구하고 이 를 기반으로 구조물이 비탄성 변형을 겪는 것으로 가정하고 있다 탄성 상태에 대하여 요구되는 강도 성능을 낮추고 항.

반응수정계수와 주기의 영향에 대한 철골모멘트저항골조 건물의 내진성능평가

Seismic Evaluation of Steel Moment Frame Buildings based on Different Response Modification Factors and Fundamental Periods

신지욱

¹⁾

²⁾

³⁾

Shin, Ji-Wook･Lee, Ki-Hak ･ Lee, Do-Hyung

국문 요약

>>

기대되는 최소의 성능과 최대의 성능을 평가하기 위해서 상한범위와 하한범위의 설계가 고려되었다 또한 반응수정계수에 대한 영향을.

조사하기 위하여 개의 다른 반응수정계수들이4 (9, 10, 11, 12)각 구조물에 대하여 적용되었고 각 구조물의 고유주기 값 외의 개의 다른4 주기를 추가로 적용하여 구조물의 동적거동시 주기에 대한 영향을 조사하였다 총. 150개의 해석모델들은50년 동안2%의 초과확률 재현( 주기2500 )년 을 가진20개의 지반운동에 대하여 평가되었다 구조물의 성능평가를 위하여 정적. Pushover와 비선형 시간이력해석이 수행 되었으며 구조물의 연성능력을 평가하기 위해서 변위연성요구가 고려되었다. 3층과 층 구조물은 변위연성요구 값이 비교적 안정적인9 거동을 보인 반면20층 구조물은 동적 불안정성을 야기하는 요소에 의해 민감하게 나타나는 것으로 조사되었다.

주요어 반응수정계수, Pushover 해석 비선형 시간이력해석 변위연성요구 성능기반설계, , ,

ABSTRACT

>>

Key words response modification factor, static pushover analysis, non-linear Time history analysis, displacement ductility demand, performance-based design

1) 정회원 세종대학교 건축공학과 석사과정･ , 대표저자

( : [email protected])

2) 정회원 세종대학교 건축공학과 부교수･ ,

3) 정회원 배재대학교 건설환경철도공학과 부교수･ , 교신저자

( : [email protected])

본 논문에 대한 토의를2008년12월31일까지 학회로 보내 주시면 그 결 과를 게재하겠습니다.

(논문접수일 : 2008. 8. 20 / 수정일 차1 : 2008. 9. 15, 2 : 9. 19 게재확정일차 / : 2008. 9. 19)

복 발생 후 비탄성 변형에 대한 요구를 증가시키기 위하여 반응수정계수를 적용하고 있다 내진 설계 기준에서 나타나. 는 반응수정계수는 이론적으로 에너지 흡수 능력과 연성 능 력 그리고 다른 기타 요소들을 대표할 수 있도록 도입되어 사용되었으나 현재 내진설계 기준의 표에서 구조시스템의 특성에 따라 명시되어 있는 반응수정계수는 경험적 지식으 로 결정된 것으로 많은 연구자들이 신뢰성과 타당성이 떨어 지는 것으로 지적해왔다.

^(1-4)

본 연구의 목적은 높은 지진발생의 위험도가 내재된 지역 에 위치한 철골 모멘트저항골조에 대한 반응수정계수의 영 향을 평가하는 것이다 현재 기준에서 제안하고 있는 반응. 수정계수 의 값에 추가적으로8 9, 10, 11, 12에 따라 설계되 었으며 또한 강성을 다르게 적용하여 각각의 건물 해석모델 에 대해 개의 다른 주기를 고려하였다 이 결과를 통해 현5 . 재 반응수정계수 로 설계된 기존 구조물과의 동적 거동 특8 성을 비교 평가하고 더불어 건물의 강성 변화에 따른 변위, 연성요구 비를 산정 비교하였다 이는 철골 모멘트골조건물, . 의 반응수정계수에 대한 연성능력 평가와 더불어 반응수정계 수의 개선안을 제시하는데 참고자료로 활용하기 위함이다.

건물 모델의 설계 2.

그림 은 층1 3 , 9 ,층 그리고20층 모멘트저항골조 건물들 에 대한 평면과 입면을 보여주고 있다 이러한 철골 모멘트. 골조건물에 대해서 개의 각각 다른 반응수정계수들5 (8, 9, 과 두개의 다른 범위들 상한 설계와 하한 설계 10, 11, 12) ,

의 개념을 이용하여 설계되었으며 주기의 변화를 고려하기 위하여 구조물의 고유주기 이외에 개의 다른 주기를 적용4 하였다 현재 내진기준에서 예상되는 탄성 설계 반응스팩트.

럼에 대해 비탄성 설계를 적용하기 위해 반응수정계수 의8 값이 철골 특수모멘트골조 빌딩에 적용하고 있다 반응수정. 계수를 증가시키는 것은 취성적 파괴 또는 시스템의 불안정 성 없이 큰 비탄성 변형들을 견딜 수 있도록 현재 기준의 허 용보다 더 큰 연성능력을 갖고 있는 구조물로 설계하기 위 한 것이다 기준에 명시된 값보다 더 큰 반응수정계수 값의. 적용은 기준보다 더 작은 설계밑면전단력을 건물 시스템의 설계에 적용하게 된다 따라서 큰 반응수정계수에 의해 설. 계되어진 구조물은 횡력에 대해 기준에 따른 설계 즉 반응, 수정계수 을 통해 설계된 건물보다 더 작은 강성을 갖게8 되고 결과적으로 보다 유연한 거동 특성을 가지게 된다.

또한 본 연구의 건물 설계에서는 아래 식(1)과 같이KBC 2005

⁽⁵⁾

⁽⁶⁾

 _

 _{ }

 (1)

여기서

 _

 _

 _

과 개정판에서 삭제되었다

KBC2008 ASCE 7-05 . 따라서 본 연구에서 건물에 대한 최종 설계는 반응수정, 계수들의 값을 에서8 12까지 변화하였고

 _

모든 해석 건물은 캘리포니아주의 LA지역에 대하여 설 계되었고IBC2000 기준에서 정의한 지반등급D인 단단한 토사지반으로 가정되었다 건물 경계부의 골조 등이 횡력에. 저항하는 특수모멘트골조로 설계되었고 이는 그림 에 화살1 표로 나타나 있다 본 연구에서 설계된 건물의 부재특성과. 그림

< 1>3 , 9 , 20층 층 층 건물의 평면도와 입면도

자세한 설계과정은 지면의 제약관계에 따라 다른 참고문헌 에서 찾을 수 있다.

⁽⁷⁾

미국 연방 재난국(FEMA)의 지진피해 저감 프로젝트의 일환으로Somervile

⁽⁸⁾

지역에 대해 년에 의 초과 확률 재현주기 약

LA 50 2% ( 2500

년 을 갖는) 20개의 지반 운동들에 대한 탄성 반응 스팩트럼 의 평균값과84번째 확률 값을 보여 준다 각 각의 반응 스. 팩트럼에 대해서5%의 주요 감쇠비를 적용하였다.

건물의 동적거동 평가시 구조물의 주기는 중요한 변수로 써 영향을 미치게 된다 현행 기준에서 제시되는 주기산정. 식은 경험에 따라 제안된 약산식이기 때문에 보수적인 값을

갖는다 이는 해석프로그램에서 주요 구조부재로만 구성된. 해석모델은 실제 건물에 비해 유연화(Flexible)되어 산정된 주기 값이 실제의 것보다 긴 주기로 산정되는 경우가 많기 때문이다 이러한 장주기는 설계지반 전단력의 감소를 가져. 올 수 있고 필요한 강성과 강도를 확보하지 못할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 기준에 있는 주기산정식과 컴퓨터 해 석 프로그램인Drain-2DX를 통해 각각 건물의 기본 고유주 기를 계산하였다 그리고 보다 정확한 동적특성을 조사하기. 위해서 구조물의 탄성계수(E)를 다르게 적용하여 각 해석 모델에 대해 개의 주기를 추가로 고려하였다 본 연구에 적4 . 용된 구조물의 주기는 표 에 나타나 있으며1 T3은IBC 2000 으로 설계된 기본 해석모델의 주기로 구별을 위해 진하게 표현하였다 따라서 본 연구는 층 층 그리고. 3 , 9 20층 건물과 철골 모멘트골조건물에 대해서 개의 다른 반응수정계수와5 상한 범위의 설계와 하한 범위의 설계의 개념이 적용되어 설계되었고 각 해석 모델에 대하여 개의 추가적인 주기를4 고려하였다 따라서 총. 150개(5x3x2x5)의 건물 골조모델 이 본 연구에 고려되었다.

건물 모델의 해석 3.

각각의 다른 반응수정계수와 상한 및 하한 범위로 설계된 빌딩 구조물에 대해 정적해석과 동적해석을 위해Drain-2DX 프로그램이 사용되었다.

^(9),(10)

< 2>LA지역의2/50위험수준의20개의 지반운동의 반응스팩트럼

표

< 1>본 연구에서 고려된 구조물의 고유주기

story Period R=8 R=9 R=10 R=11 R=12

Upper Low Upper Low Upper Low Upper Low Upper Low

3

T¹ 0.66 0.76 0.70 0.81 0.74 0.86 0.78 0.89 0.81 0.92

T² 0.76 0.86 0.80 0.91 0.84 0.96 0.88 0.99 0.91 1.02

T

0.86 0.96 0.90 1.01 0.94 1.06 0.98 1.09 1.01 1.12

T⁴ 0.96 1.06 1.00 1.11 0.98 1.16 1.08 1.19 1.11 1.22

T⁵ 1.06 1.16 1.10 1.21 1.01 1.26 1.18 1.29 1.21 1.32

9

T¹ 1.90 2.08 2.00 2.22 2.06 2.33 2.16 2.44 2.21 2.55

T² 2.10 2.28 2.20 2.42 2.26 2.53 2.36 2.64 2.41 2.75

T

2.30 2.48 2.40 2.62 2.46 2.73 2.56 2.84 2.61 2.95

T⁴ 2.50 2.68 2.60 2.82 2.66 2.93 2.76 3.04 2.81 3.15

T⁵ 2.70 2.88 2.80 3.02 2.86 3.13 2.96 3.24 3.01 3.35

20

T¹ 3.50 3.72 3.63 3.90 3.75 3.96 3.87 4.18 3.97 4.48

T² 3.70 3.92 3.83 4.10 3.95 4.16 4.07 4.38 4.17 4.68

T

3.90 4.12 4.03 4.30 4.15 4.36 4.27 4.58 4.37 4.88

T⁴ 4.10 4.32 4.23 4.50 4.35 4.56 4.47 4.78 4.57 5.08

T⁵ 4.30 4.52 4.43 4.70 4.55 4.76 4.67 4.98 4.77 5.28

로 조사되었기 때문에 두 개의 회전 스프링이 패널존 모델 의 세단계(Trilinear)거동을 위해서 추가되었다 전체 구조. 부재에 사용된 철골조 강재는345MPa의 항복 강도로 내진 설 계에 사용되었다 반면에 철골모멘트저항골조의. , Drain-2DX 해석모델에 대하여 396.4MPa의 값이 사용되었는데 이는 현장에서 조사된 많은 철골 부재의 실제 항복 강도를 조사 하여 평균값을 사용하였다.

⁽¹¹⁾

철골 모멘트골조에서 보 기둥 접합부들의 지진하중에 대- 한 거동 평가를 위해서 연성적 접합부의 특성을 지닌 RBS 접합부 모델이 적용되어 정적 및 (Reduced Beam Section)

동적해석에 사용되었다. RBS접합부는 접합부를 구성하는 보의 플랜지 부분을 반원형으로 잘라내어 그 부분의 면적을 감소시켜 의도적으로 그 부분을 약하게 만든 것이다 이를. 통해 비탄성 거동시 발생하는 소성힌지를 과도한 응력이 집 중할 수 있는 보와 기둥 접합부로부터 떨어진 곳에 형성시 키기 위한 것이다 이러한 형태적 특성을 통해. RBS접합부 는 연성거동을 갖게 되며 전체 변형이 증가함에 따라 국부 적인 플랜지 좌굴이 발생하고 변형증가에 따라 점차적으로 강도 감소를 하는 특성을 갖는다.

⁽¹²⁾

정적해석 4.

비선형 정적 해석

4.1 Pushover

설계된 해석 모델 건물의 횡력저항능력과 거동특성을 조 사하기 위해 비선형 정적Pushover해석이 수행되었다 구조. 물의 높이에 따라 횡력의 수직 분배는IBC2000기준에 따라 적용되었다 그림. 3 (a)와(b)는 본 연구에서 고려된 철골조 건물의Pushover 해석에 대한 힘과 변위에 대한 그래프이 다 힘과 변위의 관계는 최상층의 층 변위와 지진의 밑면 전.

단력계수에 의해 산정되었다 밑면전단력계수는 횡력을 구. 조물의 유효 질량으로 나누어 계산되었다 최상층 층간 변. 위는 최상층의 변위를 구조물의 전체 높이로 나눈 것이다.

지면 관계상 층의 해석결과는 여기에 나타내지 않았다 그3 . 림3 (a)는 상한 범위로 설계되고 반응수정계수 부터8 12까 지 이용하여 설계한 층 건물에 대한9 Pushover해석결과이 다 층 구조물들의 반응은 변형률 경화와 모멘트 재분배에. 9 따라 최상층 변위가0.06까지 큰 변형에서도 안정적인 비탄 성 거동을 보인다 또한 예상과 같이 반응수정계수가 에서. , 8 로 커지면서 각각 설계된 구조물의 강성과 강도가 감소하 12

는 것을 보여준다 이는 의 반응수정계수로 설계된 층 건. 8 9 물이 12의 반응수정계수가 적용된 건물과 비교하여 더 큰 설계밑면전단력을 통해 필요한 강성과 변위의 제한을 만족 하기위해 더 큰 강도와 강성을 갖는 부재를 통해 설계되었 기 때문이다.

그림3 (b)는 상한 범위로 설계된20층 철골 모멘트 저항 골조의 횡력에 대한 능력을 보여주고 있다 층 건물과는 달. 9 리 20층 건물의 Pushover해석은 최상층의 층간 변위각 에 도달 한 후에 효과에 의해 층 구조물의 강 0.01 P-delta 20

성이 음의 값을 가지면서 최대 밑면전단력계수가 점차 감소 하는 것을 보여주고 있다 이는 구조물의 잠재적인 횡적 불. 안정성을 발생시키는P-delta효과가 고층 빌딩에서 더 민감 한 것을 보여준다. 20층 건물에 대하여 정적Pushover해석 은 건물의 붕괴가 지붕의 층간 변위각이0.01일 때 발생하 는 것을 보여주고 있다.

그림 는 본 연구에서 적용된4 20층 구조물의 항복변위를 반응수정계수에 대하여 도식화한 것이다 가로축은 에서부. 8 터12까지의 반응수정계수이고 세로축은20층 구조물의 항 복변위를 나타낸 것이다 상한범위와 하한범위에 대해 주기. 가 길어짐에 따라(T1~T5) 항복변위가 증가하는 것으로 평

층 구조물에 대한

(a) 9 Pushover (b) 20층 구조물에 대한Pushover

그림

< 3>9층과20층 구조물에 대한Pushover 해석결과

가되었다 그림. 4-(a)에서 보이는 것과 같이 상한범위에 대 해서10의 반응수정계수가 적용되었을 때 대부분 최소의 항 복변위를 갖는 것으로 조사되었고 하한범위에서 반응수정 계수10으로 설계된 구조물들은 최대의 항복변위를 보였다. 그러나12또는 의 반응수정계수로 설계된 모델들은 항복8 변위가 최소값을 갖는 것으로 조사되었다.

동적해석 5.

변위 능력 5.1

지진하중에 대한 건물해석모델의 지진 변위능력(Seismic 은 건물의 전체 안정성을 결정하기 위해서 Drift Capacity)

동적증분해석(Incremental Dynamic Analysis, IDA)를 적 용하여 해석하였다 동적증분해석에 대한 비선형시간이력해. 석은 특정한 지반 운동을 건물 구조물에 적용시켜 수행되었 다 최대 층간 변위 값이 비선형시간이력 해석으로부터 구. 해지면 지반 운동의 강도를 일정하게 증가시켜 구조물의 불 안정성이 발생될 때까지 다시 해석을 수행하였다 동적증분. 해석에 대한 자세한 설명은 다른 문헌에서 구할 수 있다

. (13)

표 는2 20층 건물 모델에 대해50년에2% 수준의 위험 성을 갖는 재현주기( 2500 ) 20년 개의 지반운동에 의한 변위 요구와 함께 동적증분해석에 따라 결정된 지진 변위능력을 보여주고 있다 변위요구에 대한 결과들은 다음 절에서 설. 명하고 있다 표 는 해석 모델의 설계에서 각각의 다른 반. 2 응수정계수들과 상한 또는 하한범위 설계에 기초하여 정리 하였다 하한범위 설계에 대하여 의 반응수정계수가 적용. 8 된20층 건물은7.7%의 평균값을 보였고 같은 구조물에 대 하여12의 반응수정계수가 적용된 경우에 대해서는5.6%의 평균값의 변위능력을 갖는 것으로 조사되었다 같은. 20층 건물의 상한범위 설계에 대하여 과8 12의 반응수정계수로

설계된 20층 구조물은 7.7%와 6.9%의 값이 계산되었다.

 _

 _

 _

 _

변위 요구 5.2

지면 제약의 관계로 주기에 대하여 T3으로 설계되어진 표 참조 층 및 층 건물의 변위요구만 표시하였다 자

( 1 ) 9 20 .

세한 내용은 다음의 참고문헌에서 찾을 수 있다.

⁽¹⁴⁾

그리고6.28%로 계산되었다. 12의 반응수정계수와 하한범 위로 설계된 건물에 대해서는 3.55%, 6.04% 및 8.83%의 층간 변위비를 보여 주었다. 3층과 층 구조물과 같은 중9 , 저층 구조물은 주기가 길어짐에 따라 변위요구 값이 증가하 는 것으로 조사되었다. T3의 주기로 설계된20층 건물에 대 한 동적 해석의 결과는 그림 에 나타나있다 예상대로 반응6 . 수정계수가 증가함에 따라 변위 요구가 증가하는 것을 알 수 있다 몇몇. 20층 건물은 한 개 혹은 두 개의 지반운동에 대하여 매우 큰 변위요구 값이 조사되었다 이는 층과 층. 3 9

상한범위의 층 구조물 항복변위

(a) 20 (b) 하한범위의20층 구조물 항복변위

그림

< 4>본 연구에 적용된20층 건물모델에 대한 항복변위

표

< 2>20층 건물에 대한 지진 변위요구와 변위능력

하한범위 설계 상한범위 설계 표준빌딩⁵

R=8 R=9 R=10 R=11 R=12 R=8 R=9 R=10 R=11 R=12 　　

Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² Dm.¹ Cp.² 1 3.4 7.2 3.3 9.5 3.2 6.4 3.4 10.0 3.4 7.8 2.7 7.7 3.0 7.7 2.9 5.7 3.3 9.5 4.0 6.9 2.3 10.0 2 3.4 7.2 2.9 7.7 3.3 7.5 3.0 6.1 3.0 4.3 3.0 9.2 2.8 9.4 3.0 6.4 2.9 7.7 3.2 7.0 2.5 10.0 3 1.7 8.0 1.5 8.1 1.8 7.2 1.7 6.7 1.5 8.2 1.6 8.9 1.6 8.7 1.6 7.5 1.5 8.1 2.0 8.8 1.5 8.5 4 3.7 5.7 3.6 7.1 3.9 9.2 3.7 4.5 3.6 4.2 3.2 9.8 3.2 7.4 3.4 5.8 3.6 7.1 4.0 8.1 3.2 10.0 5 2.9 10.0 2.3 6.6 2.0 6.5 2.5 8.0 2.2 6.2 2.0 9.8 2.2 8.7 2.4 9.7 2.3 6.6 2.5 10.0 2.0 10.0 6 3.0 8.5 2.9 8.6 2.7 9.6 2.9 5.8 2.8 8.1 2.6 9.7 2.7 6.5 2.7 8.4 2.9 8.6 3.3 10.0 2.7 10.0 7 2.5 9.6 2.9 8.6 2.7 9.0 2.4 7.0 2.3 6.2 1.9 6.9 2.1 8.2 2.7 8.6 2.9 8.6 2.9 9.3 1.8 7.8 8 3.1 6.7 2.9 7.3 2.8 7.2 2.8 5.8 2.8 6.3 2.9 9.7 3.1 8.7 3.0 6.3 2.9 7.3 2.7 7.1 2.1 10.0 9 2.1 9.7 2.0 7.9 2.3 7.6 2.4 6.5 2.1 4.0 1.8 8.3 1.9 8.4 1.7 5.5 2.0 7.9 2.6 7.3 1.6 9.3 10 붕괴 8.9 붕괴 4.6 붕괴 5.1 13.3 8.8 12.6 6.8 13.8 6.2 붕괴 3.3 붕괴 9.1 붕괴 4.6 붕괴 4.6 2.7 3.5 11 3.2 6.5 2.7 9.1 2.8 10.0 3.0 7.5 3.0 6.0 3.0 5.9 2.9 9.0 2.8 4.9 2.7 9.1 3.7 9.0 1.9 6.8 12 2.9 9.3 3.3 4.4 2.8 4.7 3.1 7.2 3.4 5.3 2.3 10.0 2.7 8.3 3.1 9.9 3.3 4.4 3.1 4.6 2.1 10.0 13 3.9 7.9 3.6 4.0 3.7 4.9 3.4 5.6 2.8 7.3 3.2 9.1 3.6 6.5 3.8 6.8 3.6 4.0 3.7 5.0 2.3 9.6 14 3.9 7.5 3.7 3.0 3.7 4.1 3.4 2.8 3.2 3.2 3.1 3.6 3.5 5.1 3.8 4.4 3.7 3.0 3.7 3.5 2.2 9.0 15 7.3 8.3 6.1 6.3 6.0 4.6 4.8 4.0 3.6 2.9 7.0 3.4 7.0 10.0 7.1 5.0 6.1 6.3 6.0 5.4 6.2 6.1 16 7.3 7.0 6.6 5.2 6.5 6.0 5.5 4.6 3.9 7.1 7.2 8.2 7.0 5.8 7.0 6.4 6.6 5.2 6.4 9.9 5.8 7.1 17 4.2 7.2 4.6 4.6 4.7 4.7 6.8 5.4 붕괴 8.4 3.3 8.5 3.9 6.4 4.2 7.2 4.6 4.6 4.7 9.1 3.3 7.1 18 6.7 7.3 8.2 6.2 8.4 6.2 붕괴 7.5 붕괴 4.6 4.4 9.2 5.2 6.6 5.9 6.6 8.2 6.2 8.0 6.2 2.9 10.0 19 1.3 7.6 1.8 5.7 2.1 5.9 1.9 8.9 2.0 5.3 1.4 9.5 1.4 6.5 1.6 6.5 1.8 5.7 2.4 6.0 1.8 8.9 20 3.7 5.8 3.5 5.9 3.5 5.5 4.0 7.4 4.5 4.9 3.0 7.0 3.3 5.8 3.5 5.6 3.5 5.9 3.8 5.3 2.5 7.9 Xm³ 3.4 7.7 3.3 6.2 3.2 6.4 3.2 6.2 3.1 5.6 3.0 7.7 3.0 7.1 3.1 6.6 3.3 6.2 3.7 6.9 2.4 8.3 b⁴ .57 .16 .56 .31 .54 .27 .42 .30 .38 .31 .45 .31 .50 .26 .64 .23 .56 .31 .45 .31 .37 .26

변위요구 변위능력 평균

1: Demand; ;2: Capacity; ;3: (median defined as the geometric mean-exponential of the average of the natural log

표준편차 의 최소값과 로 설계된 표준 층 구조물

values); 4: (standard deviation of the natural logs of the data points);5:Cs R=8 20

그림

< 5>50년 동안2% 지진 위험도를 가진 지반운동에 대한T3이 적용된 층 구조물의 변위요구9

구조물에 비해 상대적으로P-delta 효과가 중요해지는20층 구조물에서 동적 불안정성을 야기했기 때문이다 모든. 20층 건물은 평균값에 대하여2.46%에서3.23%범위의 최대 층 간 변위요구를 보여주었다.

또한20층 건물에서P-delta 효과의 영향력이 크게 작용 하는 낮은 층에서 변위요구량이 크게 집중되는 공통적인 형 태를 보여주었다 대부분의. 20층 건물은84번째와95번째 확률 값에 대하여 큰 변위 요구량을 보여준다 반응수정계. 수 가 적용되고 하한범위로 설계된 구조물과 반응수정계수9 이 적용되고 상한범위로 설계된 구조물들은 번째 확률

11 84

값에 대해 최대 층간 변위 요구가 동적증분해석을 통해 계 산된 변위능력 6.20%의 값을 초과하였다. 20층 구조물과 같은 고층구조물은 동적거동시 불안정성요소들을 내재하고 있기 때문에 안정적인 거동을 보이지 않았다.

변위연성요구 5.3

지진하중을 받는 구조물에 대해 비탄성 변형을 고려하여 설계를 하기위해서 반응수정계수가 적용된다 반응수정계수. 는 크게 연성계수와 초과강도계수 등으로 산정되는데 연성계 수는 반응수정계수의 핵심요소로써 고려된다 연성이란 골조. 구조물이 수평력에 저항하면서 탄성한계를 초과하는 비탄성

변형으로써 에너지를 흡수할 수 있는 능력으로 정의된다 연. 성계수를 산정하기 위해서 변위연성비와 연성계수 사이의 관계를 도출하는 과정이 요구되며 이때의 변위연성요구는 주기가 다른 구조물에 대한 층 부재별 그리고 구조시스템, 에 따른 연성능력을 평가 할 수 있는 하나의 척도로써 고려 되어진다.

^(15),(16)

  ∆

_

∆

_

(2)

식(2)는 변위연성요구를 산정하기 위한 것으로∆

_

_

< 6>50년 동안2%지진 위험도를 가진 지반운동에 대한T3이 적용된20층 구조물의 변위요구

크기 때문에 지진의 입력에너지는 높은 진동수의 구조적 거 동에서는 효과적으로 소산 될 수 없기 때문이다 층과 층. 3 9

구조물들은 비교적 안정적인 거동을 하는 것으로 조사되었 지만20층 구조물의 변위연성요구는 매우 불안정한 연성능

상한범위의 층 구조물의 최대변위요구

(a) 20 (b)하한범위의20층 구조물의 최대변위요구

그림

< 7>반응수정계수에 따른20층 구조물의 최대 변위요구

Period(sec.) Period(sec.)

상한범위의 층 구조물의 변위연성요구

(a) 3 (b) 하한범위의 층 구조물의 변위연성요구3

Period(sec.) Period(sec.)

상한범위의 층 구조물의 변위연성요구

(c) 9 (d) 하한범위의 층 구조물의 변위연성요구9

Period(sec.) Period(sec.)

상한범위의 층 구조물의 변위연성요구

(e) 20 (f) 하한범위의20층 구조물의 변위연성요구

그림

< 8>본 연구에 적용된 구조물의 변위연성요구

력을 보였다.

변위연성요구의 경우 동적거동에 대한 변위요구와 항복 변위에 의해서 결정되어지지만 고층구조물의 경우 불안정 한 요소들의 영향을 크게 받기 때문에 동적해석결과에 따라 연성능력이 평가되어진다 그림 에서 나타났듯이 일반적으. 7 로 구조물의 연성능력은 반응수정계수가 커지면 변위연성 요구의 값이 증가하고 주기가 길어지면 효율적인 에너지소 산을 발휘하기 때문에 변위연성요구는 감소되어진다.

하지만P-delta 효과와 고차모드의 영향을 많이 받는20 층 구조물 즉 고층 구조물의 경우 변위연성요구 값에 많은, 변화가 내재되어 있었다 그림 은 붕괴를 야기하는 요소들. 8 이(P-delta, 고차모드영향 등 반응수정계수와 주기의 영향) 보다 더 크게 작용된 것으로 조사되었다 예를 들어 상한범. 위에서 반응수정계수10으로 설계된20층 구조물은 본 연 구에서 고려된 개의 주기에 대하여 모두 큰 변위요구 값을5 보였기 때문에10의 반응수정계수에 대한 변위연성요구가 반응수정계수11의 변위연성요구 보다 큰 값을 갖는 것으로 조사되었다 또한 하한 범위에서 반응수정계수 로 설계된. , 8 변위연성요구 값이 와9 10의 반응수정계수가 적용된20층 구조물에 비해 큰 값으로 조사되었다.

결 론 6.

본 연구에서는 층 층 그리고3 , 9 20층 구조물에 대하여 현 재 강진지역에서 널리 적용되는 반응수정계수 과 다른 반8 응수정계수

^(9-12)

조물의 동적거동 특성을 파악하였다 본 연구의 결과는 아. 래와 같이 요약할 수 있다.

각각 다른 반응수정계수를 에서8 12까지 다르게 적용된 층 층 그리고 층 구조물에 동적증분해석 이 수행

3 , 9 20 (IDA)

되었다 지반 운동의 강도가 증가하여도 층과 층 구조물. 3 9 은 안정적인 거동을 보였으며 층과 층 구조물에 대해3 9

의 변위능력이 계산되었다 그러나 층 구조물 중

10% . 20

 _

의 최소값이 적용되지 않은 경우 변위능력의10%보다 훨씬 낮게 계산되었다. 20층 구조물의 강한 지반운동의 적용으로 인해 동적거동이 불안정성을 야기되어 층 변위의 증가와 낮 은 변위능력으로 계산되었다 내진설계 기준이 허용하는 최. 소의 강성과 강도를 갖는 하한범위 설계에서20층 구조물은

와 의 평균 횡 변위능력을 보여주었다

7.7% 5.6% .

비선형 동적해석인 시간이력해석을 통해 얻어진 지진의 변위요구는 층 및 층 구조물이 기존의 반응수정계수 보3 9 8

다 크게 설계되었지만 안정적인 반응을 보였다 이는 구조. 물에 적용되는 강성이 작아짐에도 횡력에 대하여 안정적인 거동을 보여주는 것을 의미한다 일반적으로 반응수정계수. 값이 커질수록 적용된 지반 운동에 대해 변위요구 값이 증 가하는 것을 보여주었다.

층 구조물의 경우 효과로 아래층 부분에서 층 20 P-delta

변위요구가 집중되고 이에 변위요구가 증가하게 되었다 본. 연구에서IBC2000과 KBC2005에서 명시된

^ 

층 구조물의 경우는 안정적인 거동을 보였으며 에너지 3

소산능력이 효과적으로 발휘되어 변위연성요구 값이 작아 지는 것으로 조사되었다 또한 반응수정계수의 값이 커지면. 서 변위연성요구 값이 증가하는 것을 볼 수 있다 고층 구조. 물의 경우P-delta효과의 증가로 인해 불안정한 동적거동을 하는 것으로 조사되었다 특히. 20층 구조물의 경우는 저층 부에서P-delta 효과로 인해 건물의 붕괴가 조사됨에 따라 불안정한 변위연성요구 값을 갖는 것으로 조사되었다 고층. 구조물은 반응수정계수와 에너지소산능력에 따른 영향보다 는 구조물의 붕괴를 야기하는P-delta 효과와 고차모드의 영 향 등이 구조물의 변위연성요구에 더 크게 작용하는 것으로 조사되었다.

감사의 글

이 논문은 국토해양부 첨단도시개발사업의 연구비 지원 과제번호 건설핵심 과 년 서울시 산학연 협 ( #‘06 B03) 2007

력사업(GR070033)의 지원을 받아 수행된 연구이며 이에 감사를 드립니다.

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